電動(dòng)工具用電動(dòng)機(jī)點(diǎn)焊工藝探討與研究

孫超英

（ 博世電動(dòng)工具（中國）有限公司，杭州 310052 ）

電動(dòng)工具用電動(dòng)機(jī)點(diǎn)焊工藝探討與研究

孫超英

（ 博世電動(dòng)工具（中國）有限公司，杭州 310052 ）

介紹點(diǎn)焊工藝原理，分析影響點(diǎn)焊結(jié)果的電極剩余熱量、點(diǎn)焊電流和點(diǎn)焊時(shí)間以及電阻等關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律，從工藝和生產(chǎn)角度表述點(diǎn)焊準(zhǔn)備與過程控制的要求。

點(diǎn)焊 焊接熱量 電極剩余熱量 電阻

0 引言

幾乎所有的電動(dòng)工具制造商都會(huì)被電動(dòng)機(jī)失效現(xiàn)象所困惑。市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)工具的質(zhì)量問題60%以上為電動(dòng)機(jī)失效，尤其是反映在角磨機(jī)等轉(zhuǎn)速高、振動(dòng)大，作業(yè)時(shí)間長的電動(dòng)工具上更為突出。電動(dòng)機(jī)是轉(zhuǎn)子與定子的組件合稱，轉(zhuǎn)子作為組件內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)部件，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并輸出，是電動(dòng)機(jī)正常工作的關(guān)鍵，通俗地稱轉(zhuǎn)子為電動(dòng)工具的“心臟”。提高電動(dòng)機(jī)質(zhì)量的關(guān)鍵在于控制轉(zhuǎn)子制造工藝，而換向器點(diǎn)焊即是轉(zhuǎn)子制造過程中的關(guān)鍵工藝。

1 概述

1.1原理與公式

電動(dòng)工具轉(zhuǎn)子的點(diǎn)焊屬于電阻焊的一種，將待焊工件置于兩個(gè)電極之間，采用低電壓、大電流，在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高溫，融化（氣化）換向器掛鉤內(nèi)漆包線的絕緣表層（漆膜），并焊接漆包線和掛鉤，從而達(dá)到換向器與繞組之間良好的電氣連接。焊接熱量公式為

Q＝Q余+ I2Rt

式中 Q——焊接熱量

Q余——前一掛鉤點(diǎn)焊后，至下一鉤點(diǎn)焊前，電極上余下的熱量

I——點(diǎn)焊電流

R——電阻

t——點(diǎn)焊時(shí)間

成熟的點(diǎn)焊工藝應(yīng)確保上述式中Q值在整個(gè)批量生產(chǎn)過程中處于一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)果。如果每次點(diǎn)焊過程中，掛鉤和銅線都能得到相同的熱能，就可以得到穩(wěn)定的點(diǎn)焊質(zhì)量，電動(dòng)機(jī)使用壽命以及電動(dòng)工具的穩(wěn)定性將大幅提升。

1.2關(guān)鍵參數(shù)分析

1）電極剩余熱量Q余

電極在點(diǎn)焊的過程中產(chǎn)生熱能。單次點(diǎn)焊作業(yè)完成后，電極上留有剩余熱量，剩余熱量通常在下一個(gè)點(diǎn)焊過程中得到釋放并獲得新熱能產(chǎn)生新的剩余熱量，如此反復(fù)循環(huán)。如不加以控制Q余，在批量生產(chǎn)中，剩余熱量不停累積，導(dǎo)致Q值不斷變化，點(diǎn)焊質(zhì)量也就無法穩(wěn)定。

在實(shí)際生產(chǎn)中，Q余是無法徹底消除的，但可以通過冷卻電極的方式來控制。經(jīng)濟(jì)有效的方式是水冷，在點(diǎn)焊機(jī)旁安裝一臺(tái)冷水機(jī)，通過水循環(huán)來冷卻電極，控制Q余在連續(xù)生產(chǎn)中保持穩(wěn)定值。批量生產(chǎn)過程中應(yīng)特別注意并檢查正負(fù)極冷卻效果以及冷水機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否正常。

2）點(diǎn)焊電流I和點(diǎn)焊時(shí)間t

在點(diǎn)焊過程中，點(diǎn)焊電流I和點(diǎn)焊時(shí)間t是必須嚴(yán)格控制的參數(shù)。完整的點(diǎn)焊過程包括機(jī)械變形與電氣連接，所以點(diǎn)焊不能只是單純的瞬時(shí)大電流焊接，而是一個(gè)分步驟、有節(jié)拍、隨時(shí)間漸進(jìn)式的過程。

點(diǎn)焊可分為選擇恒定電壓式或恒定功率式，大多電動(dòng)機(jī)制造商選擇恒定電壓式點(diǎn)焊。點(diǎn)焊電壓一般選擇范圍為1～3 V。根據(jù)選定的電壓值，需設(shè)計(jì)不同的點(diǎn)焊電流I與點(diǎn)焊時(shí)間t。圖1所示假設(shè)點(diǎn)焊電壓為1 V的情況下，點(diǎn)焊的各個(gè)步驟、每個(gè)步驟的時(shí)間、點(diǎn)焊電流設(shè)置及溫度隨著時(shí)間而變化的曲線。實(shí)際操作中，針對(duì)不同的銅線直徑、掛鉤形狀及厚度、點(diǎn)焊設(shè)備等實(shí)際情況，可做有針對(duì)性的調(diào)整。

圖1 點(diǎn)焊時(shí)間與溫度變化曲線示意圖

電極剩余熱量Q余在間隙生產(chǎn)過程中會(huì)有一定波動(dòng)，以及在點(diǎn)焊批量作業(yè)中接觸電阻會(huì)變大。所以對(duì)于要求特別高的點(diǎn)焊作業(yè)，還需針對(duì)產(chǎn)量變化而進(jìn)行點(diǎn)焊整個(gè)節(jié)拍的變化。

3）電阻R

理論上，電阻R包括電極的電阻、電極與鉤子的接觸電阻、掛鉤電阻、銅線在掛鉤處電阻等。在實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)接觸電阻就是電阻R的代表，其它電阻阻值極小均可忽略不計(jì)。受以下因素影響，接觸電阻會(huì)有所變化。

換向器與焊極接觸表面狀態(tài)： 若接觸表面有油污等異物，會(huì)增大接觸電阻。點(diǎn)焊電壓較低，額外的異物會(huì)影響焊接表面的質(zhì)量，甚至出現(xiàn)虛焊。

壓力：點(diǎn)焊的壓力應(yīng)保持適中，既要保證充分受壓，又不能過壓?？煽康碾姌O形狀設(shè)計(jì)能幫助壓力合理分布。

點(diǎn)焊接觸面積：在可能的范圍內(nèi)盡量增加接觸面積，焊極的形狀設(shè)計(jì)很重要。

電極的材料：點(diǎn)焊機(jī)需要一對(duì)正負(fù)電極，正極一般采用鎢棒，鎢棒能耐高溫并在高溫時(shí)具有較高的硬度，能承受點(diǎn)焊時(shí)的壓力而不變形，以此保證焊點(diǎn)的幾何形狀和焊點(diǎn)質(zhì)量。負(fù)極多采用銅材，銅材具有良好的導(dǎo)電性，可減少回路中的電阻，從而提高電能效率。在實(shí)際應(yīng)用中，為提高負(fù)極的機(jī)械強(qiáng)度，一些制造商選用銅合金。

電極的形狀：鎢棒點(diǎn)焊接觸面的形狀通?？蛇x擇圓形、橢圓形、正方形、長方形。通過實(shí)踐與摸索，一般認(rèn)為正極點(diǎn)焊棒以長方形為好，長方形利于焊棒的磨削角度正對(duì)換向器的鉤，形成良好焊接，利于增加接觸面從而降低接觸電阻的變化。

另外，正極磨削角度有利于換向器鉤子與銅片的預(yù)壓接觸及點(diǎn)焊成形，根據(jù)不同的銅線直徑與鉤子設(shè)計(jì)，磨削角度應(yīng)有不同設(shè)定。

2 點(diǎn)焊準(zhǔn)備與過程控制

點(diǎn)焊前，應(yīng)檢查鎢棒點(diǎn)焊表面是否平整光潔，銅極表面無任何雜質(zhì)（在生產(chǎn)過程中應(yīng)定時(shí)清潔）。

焊棒位置應(yīng)調(diào)整到位。要得到好的點(diǎn)焊質(zhì)量，點(diǎn)焊的負(fù)極應(yīng)早于正極接觸換向器，換向器鉤子的尾端應(yīng)最先被負(fù)極銅片壓住，圖2中焊極位置可供參考。工程師應(yīng)根據(jù)實(shí)際的設(shè)備與零件情況確定最合適的位置。

點(diǎn)焊正極的露出長度盡可能短，利于水循環(huán)散熱，同時(shí)也降低壓降損失。

批量生產(chǎn)過程中應(yīng)特別注意檢查正負(fù)極和冷水機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，確保冷卻效果。

定時(shí)檢查點(diǎn)焊后鉤的表面質(zhì)量，如表面焊點(diǎn)不光整就有必要調(diào)換焊棒。此外，正常情況下每個(gè)點(diǎn)焊棒可點(diǎn)焊2000次左右。

圖2 電極位置示意圖

點(diǎn)焊完成后，需在線進(jìn)行必要的檢查和測(cè)試，剔除廢品，以免裝機(jī)后發(fā)生工具快速失效現(xiàn)象。常見的點(diǎn)焊失效一般為：掛鉤開裂或斷裂，過焊，虛焊。

常用的在線檢測(cè)主要包括：

1）目測(cè)（100%全檢）：換向器掛鉤無銹跡，鉤子與換向器銅片間無縫隙，鉤子無損。

2）目測(cè)（100%全檢）：鉤子焊后位置正，不偏（偏離極限為不超出整流子銅片），表面光潔，兩側(cè)銅線燒焦適當(dāng)（能目測(cè)到換向器鉤子兩側(cè)銅線均有絕緣漆燒焦）。

3）機(jī)械檢查（抽檢）：換向器冷卻至室溫后用鉗子打開掛鉤，打開時(shí)可聽及鉤子的脫離聲。

4）機(jī)械檢查（抽檢）：打開掛鉤后，鉤子下的銅線絕緣層應(yīng)被完全燒除，銅線上無黑色殘留物，銅線與鉤子焊接良好。銅線適當(dāng)壓扁（壓扁極限為銅線在整流子軸向?qū)挾茸畲罂芍林睆降?.5倍），如圖3所示（d為銅線直徑）。

圖3 銅線壓扁極限示意圖

5）電氣性能檢查（100%全檢）：用設(shè)備測(cè)量點(diǎn)焊電阻（換向器銅片至銅線之間電阻），針對(duì)絕大部分的電動(dòng)工具用電動(dòng)機(jī)，點(diǎn)焊電阻應(yīng)≤0.5 mΩ。

6）電氣性能檢查（100%全檢）：用設(shè)備測(cè)量換向器銅片間無短路。

3 結(jié)語

綜上所述，為確保電動(dòng)機(jī)換向器點(diǎn)焊質(zhì)量，應(yīng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格制訂點(diǎn)焊工藝規(guī)范，在實(shí)際操作加強(qiáng)過程控制，并注重在線檢測(cè)。在線檢測(cè)僅作為探測(cè)手段對(duì)轉(zhuǎn)子點(diǎn)焊的質(zhì)量進(jìn)行刪選，并不能提高點(diǎn)焊本身質(zhì)量，制造商應(yīng)定期對(duì)在線檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，針對(duì)常見的失效模式找出根源，優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高電動(dòng)機(jī)乃至整臺(tái)電動(dòng)工具的使用壽命。

[1]胡志強(qiáng)等.電機(jī)制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]鮑盛波.點(diǎn)焊工藝對(duì)電機(jī)壽命的影響[J].微特電機(jī)，2008(3).

Discussion and Research on Hot Staking Process of Power Tools Motor

Sun Chaoying
( Bosch Power Tools (China) Co., Ltd., Hangzhou 310052, China )

Introduce principle of Hot Staking process. Analysis key parameters which influence Hot Staking quality, Remaining heat energy, welding current, welding time and resistance. Analysis Hot Staking preparation and process control from manufacturing process point of view.

Hot Staking Hot Staking energy Remaining heat energy on electrode pole Resistance

TM08

A

1674-2796（2014）04-0001-03

2014-05-10

孫超英（1961—）女，大專，工程師，主要從事制造業(yè)工廠管理工作。